混合集成激光器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种混合集成激光器，涉及光电子技术领域，具体包括依次纵向层叠的衬底1、将光实现90度偏转功能的光耦合器2、键合层3和垂直腔面发射激光光源4，本发明专利技术所要解决的技术问题是提供一种混合集成激光器及其制备方法，针对现有硅基混合激光器在面向实用化遇到的问题，有效实现功耗低、集成度高和实用化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子
，尤其涉及一种。
技术介绍
光互连是指用光子代替电子作为信号载体实现信号传输和交换，具有高速率、大容量、低串扰、低延时、低功耗等优点，是解决信息系统能耗问题的关键技术之一，目前的一个关键问题就是如何实现电泵浦硅基激光，这已经成为实现片上光互连的瓶颈。该领域研究虽然取得很多重要的进展，例如拉曼激光器，在硅衬底上外延GeSi/Si，或者GaSb/GaAs激光器，稀土掺杂Si/Si02发光器件，微腔激光器，采用光子晶体纳米腔的方式等等，但是这些器件结构或者由于光泵浦的原因，或者因为寿命、效率等原因，无法真正应用于片上光互 连。美国加州大学伯克利分校J. Bowers教授于2005年提出了一种新型激光器结构——娃基混合激光器，它是指将III-V族半导体激光器与Si波导通过直接或者介质辅助键合的方式集成在一起的新型激光器，当III-V族激光器有源区与Si波导空间距离很近，在III-V族激光器中的激光通过倏逝波耦合的方式耦合进入Si波导中，因此可在波导中进行激光信号传输。这种混合激光器既利用了 III-V族直接带隙材料的发光效率高的优势，又与硅基兼容，为硅基激光光源提供新的思路。但是这种混合激光器阈值高，效率低，造成系统功耗大，还有由于激光光源尺寸大，集成度低，无法做到真正的实用。因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有硅基混合激光器在面向实用化遇到的问题，提供一种，以有效的实现功耗低、集成度高和实用化的激光光源。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种混合集成激光器，包括依次纵向层叠的衬底I、将光实现90度偏转功能的光耦合器2、键合层3和垂直腔面发射激光光源4。进一步地，所述光耦合器2为光栅耦合器或高对比度光栅结构，实现垂直入射的光偏转90度的功能；其主要结构包括两个部分，一是光栅结构部分，二是波导结构部分，根据动量守恒定律，当光栅在水平方向的传播常数K1等于波导结构的传播常数K2时，垂直入射的光将发生90度偏转。进一步地，所述光耦合器2采用硅、二氧化硅、SOI、InP、GaAs或玻璃材料制成。进一步地，所述键合层3通过直接键合、媒质键合或倒装焊的方式产生。进一步地，所述媒质采用BCB、ITO或PEDOT导电透光物质。进一步地，所述垂直腔面发射激光光源4采用GaAs基、InP基、GaN基、ZnO基量子阱、量子线或量子点激光器。进一步地，所述垂直腔面发射激光光源4为单模或多模器件，其激射波长\需要与光耦合器2的波导结构的传播常数相匹配，即K =￥。 A同时，本专利技术还提供了一种混合集成激光器的制备方法，包括在SOI娃片的娃膜上制备出娃光栅稱合 器；利用外延生长的方法制备化合物半导体激光器结构；在激光器结构上制备成单元器件或者阵列；将单元器件或者阵列结构与光耦合器对准，并将半导体激光器直接或者间接键合在光I禹合器上，将激光I禹合到波导中，使得光从垂直方向实现水平方向传输，从而形成有源的激光光源与无源的光稱合器在纵向上集成的光源，用于片上光互连。进一步地，所述制备方法采用的设备包括M0CVD、MBE、ICP、电子束曝光机、光刻机、蒸发镀膜设备和显微镜。综上，本专利技术提供了功耗低的光源垂直腔面发射激光光源，与边发射激光器相t匕，由于有源区体积小，通常实现单模的有源区体积小于5微米，且效率高，因此功耗小，有利于降低整个片上光互连系统的功耗。其次，由于垂直腔面发射激光光源体积小，与现有半导体激光光源相比，可大大提高集成度，且垂直腔面发射激光光源易实现二维集成。还有，有源器件垂直激光光源与能够将光实现90度转折传输的无源耦合器件相集成，能够将激光信号直接耦合到波导中，从而实现光信号的水平传输和调制。通过本专利技术所提供的混合集成激光光源可以作为有效的片上光互连光源，应用于硅基光电集成和光互连等众多领域，可以用于集成化生产。与现有片上光互连用激光光源相比，具有功耗低、集成度高的优点，且易于制备二维阵列。附图说明图I是本专利技术的混合集成激光器的结构示意图；图2 (a) - (e)是本专利技术的混合集成激光器的制备方法流程示意图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。参见图I给出了一种混合集成激光器的结构示意图，包括依次纵向层叠的衬底1，将光实现90度偏转功能的光耦合器2、键合层3和垂直腔面发射激光光源4。在实际应用中，所述光耦合器2为光栅耦合器或高对比度光栅结构，实现垂直入射的光偏转90度的功能；其主要结构包括两个部分，一是光栅结构部分，二是波导结构部分，根据动量守恒定律，当光栅在水平方向的传播常数K1等于波导结构的传播常数K2时，垂直入射的光将发生90度偏转。同时，光耦合器2采用硅、二氧化硅、SOI、InP、GaAs或玻璃材料制成。键合层3通过直接键合、媒质键合或倒装焊的方式产生。媒质所述媒质采用BCB、ITO或PEDOT导电透光物质。垂直腔面发射激光光源4采用GaAs基、InP基、GaN基、ZnO基量子阱、量子线或量子点激光器。垂直腔面发射激光光源4为单模或多模器件，其激射波长\需要与光耦合器2k2的波导结构的传播常数相匹配，即1^ =I ^ O具体介绍的，本方案给出一种混合集成激光器的制备方法，包括在SOI娃片的娃膜上制备出娃光栅I禹合器；利用外延生长的方法制备化合物半导体激光器结构；在激光器结构上制备成单元器件或者阵列；将单元器件或者阵列结构与光耦合器对准，并将半导体激光器直接或者间接键合 在光I禹合器上，将激光I禹合到波导中，使得光从垂直方向实现水平方向传输，从而形成有源的激光光源与无源的光稱合器在纵向上集成的光源，用于片上光互连。其中，制备方法采用的设备包括M0CVD、MBE、ICP、电子束曝光机、光刻机、蒸发镀膜设备和显微镜。更为具体的，在SOI硅片上甩一层光刻胶，并用光刻机做光刻、显影、定影，如图2Ca)所示，其中SOI硅片的氧化硅的传播常数满足&2 的要求；/I利用等离子刻蚀(ICP)将未被光刻胶盖住的Si刻蚀掉，直到刻蚀出氧化硅波导区，并用丙酮将光刻胶清洗干净，如图2 (b)所示；将MOCVD外延的垂直腔面发射激光器的圆片，通过真空蒸发或者溅射在上下两个表面分别淀积金属Ti/Au和Au/Ge/Ni/Au，并且通过光刻、腐蚀制备出作为电极的图形，将衬底减薄至约100微米,如图2 (c)所示；在图2 (b)制备的光栅耦合器上涂敷一层厚度约为2 50微米的BCB，如图2 Cd)所示；将一个图2 (C)制备的垂直腔面发射激光器芯片与图2 (d)制备的带有BCB的光栅耦合器上下对准，上下粘合，放在50 300摄氏度的烘箱中烘烤10 300分钟，得到图2 Ce)所示结构；在上下电极加偏压，垂直腔面发射激光器垂直发出的激光，通过光栅耦合器，将光线偏转90度，从水平方向出射。以上对本专利技术所提供的进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本专利技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本专利技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本专利技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本专利技术的限制。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合集成激光器，包括依次纵向层叠的衬底1，其特征在于，还包括将光实现90度偏转功能的光耦合器2、键合层3和垂直腔面发射激光光源4。2.根据权利要求I所述的混合集成激光器，其特征在于，所述光耦合器2为光栅耦合器或高对比度光栅结构，实现将垂直入射的光偏转90度的功能；其主要结构包括两个部分，一是光栅结构部分，二是波导结构部分，根据动量守恒定律，当光栅在水平方向的传播常数K1等于波导结构的传播常数K2时，垂直入射的光将发生90度偏转。3.根据权利要求I所述的混合集成激光器，其特征在于，所述光耦合器2采用硅、二氧化硅、SOI、InP、GaAs或玻璃材料制成。4.根据权利要求I所述的混合集成激光器，其特征在于，所述键合层3通过直接键合、媒质键合或倒装焊的方式产生。5.根据权利要求4所述的混合集成激光器，其特征在于，所述媒质采用BCB、ITO或PEDOT导电透光物质。6.根据权利要求I所述的混合集成激光器，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞，武华，韩明夫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：